레이저 직접묘화법으로 프로그래밍 가능한 a-InGaZnO 게이트 어레이

Abstract

게이트 어레이는 서로 연결되어 있지 않은 형태로 사전 제작된 트랜지스터 또는 논리 게이트 배열 위에 단 하나의 금속 층을 설계 및 추가함으로서 사용자가 원하는 회로를 제작할 수 있는 반 주문 제작 방식이다. 완전 주문 방식에 비해 개발 비용이 적고 prototype turnaround 기간이 짧다는 장점 덕분에 유연 인쇄 전자 분야에서 연구되고 있다. 지금까지 대부분의 연구는 유기 트랜지스터 기반 소자 배열을 제작한 다음, 몇몇 소자를 잉크젯 인쇄된 금속 배선으로 연결하여 다양한 유연 전자 회로를 제작할 수 있다는 것을 보여주었다. 허나, 아직까지 유기 박막 트랜지스터보다 전기적 성능과 균일도가 뛰어나다고 알려져 있는 a-InGaZnO 박막 트랜지스터를 사용하여 게이트 어레이를 구현한 사례는 없다. 이번 연구에서는 a-InGaZnO 박막 트랜지스터를 사용하여 게이트 어레이를 설계 및 제작하고 그 위에 단위 소자를 연결하는 배선을 레이저 직접묘화법으로 인쇄하여 디지털 회로를 구현함으로써 게이트 어레이의 프로그래밍 가능성을 보여준다. 게이트 어레이 설계에는 a-InGaZnO 박막 트랜지스터로 회로를 제작할 때 높은 노이즈 마진을 갖게 해준다고 알려져 있는 pseudo-CMOS 구조가 사용되었다. 더 나아가, 논리 회로의 면적을 줄이는 방법으로 하나의 dual-gate 트랜지스터 소자를 두 개의 병렬 연결된 트랜지스터로 사용하여 새로운 구조의 pseudo-CMOS NOR gate를 제안하고 그 NOR gate를 기본 소자로 하여 게이트 어레이를 제작하였다. 최종적으로, 레이저 직접묘화법으로 인쇄된 90 m 폭의 배선으로 8개의 NOR gate 를 연결하여 negative-edge-triggered D flip-flop 을 제작하고 3 V 의 공급 전압과 200 Hz 의 input 신호가 들어왔을 때, 1 ms 미만의 delay time을 보이며 성공적으로 동작하는 것을 확인하였다. 우리는 이번 연구를 통해 프로그래밍 가능한 게이트 어레이의 단위소자로써 a-IGZO 트랜지스터의 활용 가능성을 보여주었고 제안된 유연 전자 회로 제작 방식이 사물 인터넷이나 부착형 전자기기에 필수적인 디지털 회로의 설계 및 제작에 새로운 길을 열 것이라 기대한다.